연구성과

물리 박재훈 교수팀, 독특한 전기적 특성을 가지는 다윗의 별 모양 격자 구조 신소재 나왔다.

2022-01-27 465

[POSTECH·MIT·UCSB 국제공동연구팀, 카고메 격자 구조의 차세대 그래핀 개발]

[전자 간 상호작용↑…위상양자컴퓨터 등 미래 기술 소재로 주목]

그래핀은 2000년대 초반 우수한 전기적 특성으로 각광 받았다. 다만 상용화가 더뎠던 이유는 임의로 그래핀의 전기적 특성을 조절하기 어려웠기 때문이다. 최근 이러한 한계를 뛰어넘어, ‘다윗의 별’ 모양 구조에서 나오는 독특한 성질로 전기적 특성을 조절할 수 있는 신소재가 나왔다.

물리학과·막스플랑크 한국/포스텍연구소(이하 MPK, 소장 박재훈) 박재훈 교수, MPK 강민구 연구원 연구팀은 차세대 그래핀으로 활용할 수 있는 ‘카고메 물질(CsV3Sb5)’을 합성하는 데 성공했다. 이 연구성과는 미국 매사추세츠공대(MIT), 캘리포니아대 산타바바라캠퍼스(UCSB) 연구팀과 공동으로 얻은 성과다.


육각 격자 구조로 구성된 그래핀은 빛과 같이 움직이는 디랙 페르미온이라는 특수한 전자구조를 가져 전기 전도성, 열 전도성이 우수할 뿐만 아니라 물리적 강도가 뛰어나다. 디스플레이, 반도체, 집적회로, 배터리 등 활용 분야도 무궁무진하다.

단, 전자 간 상호작용이 0에 가까운 그래핀에서는 강상관계현상이 나타나지 않는다. 강상관계현상은 외부 자기장에 따라 물질의 저항이 바뀌는 거대자기저항이나, 높은 온도에서 저항이 사라져 전기가 통하는 고온초전도 등을 말한다. 이를 이용하면 하드디스크의 저장용량을 크게 높이거나, 많은 전류가 필요한 MRI, 자기부상열차 등을 만들 수 있다.

이에 따라 그래핀의 한계를 극복하고 강상관계현상과 디랙 페르미온이 동시에 나타나는 차세대 그래핀의 중요성이 강조돼왔다.

연구팀은 그래핀의 육각 격자와 유사한 대칭성을 가지는 ‘카고메 격자(Kagome Lattice)’ 구조에 주목해 바나듐(Vanadium) 기반의 카고메 물질을 만들어냈다. 이 물질에서 초전도 등의 강상관계현상과 디랙 페르미온이 공존함을 확인했을 뿐 아니라, 반 호프 특이점(Van Hove Singularity)*1을 관측해 강상관계현상의 원리를 규명했다.


특히 독특한 전기적 특성과 초전도 현상이 동시에 나타나는 카고메 물질은 향후 위상양자컴퓨터를 실현시킬 수 있는 물질로 여겨진다. 일반 양자컴퓨터는 외부의 잡음 때문에 양자정보를 잃어버려 컴퓨터가 오류를 일으킬 위험이 존재한다. 위상양자컴퓨터의 경우 양자정보가 위상학적으로 보호받기 때문에 외부 잡음에도 오류가 나지 않아 실용화 가능성이 더욱 크다.

물리학 분야 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 피직스(Nature Physics)에 최근 게재된 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 경상북도, 포항시, 포스텍 등의 지원을 받아 이뤄졌다.


1. 반 호프 특이점
벨기에 물리학자 레온 반 호프가 제시한 전자구조의 특이점. 반 호프 특이점에서는 전자의 밀도가 크게 발산해 전자 간 상호작용을 높일 수 있다.